基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究_王怡.pdf

第5 2卷 第1期2 0 2 3年2月湖 北 林 业 科 技H u b e iF o r e s t ryS c i e n c ea n dT e c h n o l og yV o l.5 2,N o.1F e b.,2 0 2 3*收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 5 基金项目:湖北省林业科学研究院科技基金项目“基于无人机航拍影像的森林资源调查与监测研究”(2 0 2 1 Y J J 0 3);中德财政合作林业重大科研项目“近自然森林经营示范与成效监测”(z d h z 2 0 1 7 k y 0 2)。作者简介:王怡(1 9 8 4),男,助理研究员,主要从事森林经营与森林资源监测相关工作。汤景明为通讯作者。基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究王 怡 汤景明 孙拥康 袁传武(湖北省林业科学研究院 武汉 4 3 0 0 7 5)摘 要:使用无人机和智能手机分别从空中和地面拍摄的样地林分影像构建三维点云模型,并从三维点云模型中获取样地内单木树高和胸径参数。本研究以池杉人工林为研究对象,利用P h o t o S c a nA g i s o f t软件对无人机倾斜摄影和智能手机近景摄影的样地影像进行三维重建,通过对齐照片、控制点刺点、对齐优化、建立密集点云等步骤,构建出与样地实景相符的三维点云模型;通过L i D A R3 6 0软件从样地三维点云模型中获取单木的树高和胸径参数,将其与实地测量获取的单木树高和胸径参数进行对比分析。利用无人机和智能手机影像构建的三维模型可以满足 数字航空摄影测量测图规范 的精度要求。通过实测数据和点云数据获取的树高和胸径的平均差值分别为-0.9m和-0.8c m,平均相对误差分别为5.4%和7.1%。以实测数据作为自变量x,以点云数据作为因变量y,树高和胸径回归模型的R2分别为0.8 0 95和0.9 1 84。将倾斜摄影和近景摄影的点云模型统一在同一空间参考基准下可构建出与样地实景相匹配的三维点云模型,从样地三维点云模型中获取的单木树高和胸径与实地测量结果具有较好的线性相关性,本研究所使用的方法可以代替传统林业调查手段应用于人工林。关键词:倾斜摄影;近景摄影;三维点云模型;树高;胸径中图分类号:S 7 5 8.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 4-3 0 2 0(2 0 2 3)0 1-0 0 2 2-0 8S t u dyo nO b t a i n i ngH e igh ta n dD B Ho fS i ngl eT r e eB a s e do n3 DP o i n tC l o u dM o d e lW a ngY i T a ngJ i ngm i ng S u nY o ngk a ng Y u a nC h u a n w u(H u b e iA c a d e myo fF o r e s t ry W u h a n 4 3 0 0 7 5)A b s t r a c t:T h e3 Dpo i n t c l o u dm o d e lw a s c o n s t r u c t e df r o ma e r i a l a n dgr o u n d s t a n d i m age s t a k e nbyu a va n d s m a r tph o n er e spe c t i v e ly,a n dt h eh e igh ta n dD B Hpa r a m e t e r so f i n d i v i d u a l t r e e s i nt h es a mpl i nga r e aw e r eo b t a i n e dbyt h e3 Dpo i n tc l o u dm o d e l.T h epl a n t a t i o nT a x o d i u mc h i n e n s i sv a r.i m b r i c a t u mw a ss t u d i e di nt h i ss t u dy,P h o t o S c a nAgi s o f ts o f t w a r ew a su s e dt oc o n d u c t 3 Dr e c o n s t r u c t i o no f t h es a mpl es i t ei m age s f r o m UAVo b l iqu eph o t ogr aphya n ds m a r tph o n ec l o s e-r a ngeph o t ogr aphy.T h r o ught h es t epso fph o t oa l ign m e n t,c o n t r o lpo i n t t h o r n,a l ign m e n topt i m i z a t i o n,a n de s t a b l i s h m e n to fd e n s epo i n t c l o u d,a3 D m o d e l c o n s i s t e n tw i t ht h er e a l s c e n eo ft h es a mpl es i t ew a sc o n s t r u c t e d;T h eh e igh ta n dD B Hpa r a m e t e r so f i n d i v i d u a l t r e e sw e r eo b t a i n e df r o mt h epo i n t c l o u dd a t ao f t h e3 Dm o d e l o f t h e s a mpl epl o t byL i DAR3 6 0s o f t w a r e,a n dt h e nc o mpa r e dw i t ht h eh e igh ta n dD B Hpa r a m e t e r so b t a i n e dbyf i e l dm e a s u r e m e n t.T h e3 D m o d e lc o n-s t r u c t e dbyu a va n ds m a r tph o n ei m age sc a nm e e t t h ea c c u r a cyr equ i r e m e n t so fD igi t a lA e r i a lP h o t ogr a mm e t ryM ap pi ngSpe c i f i c a t i o n.T h ea v e r aged i f f e r e n c eo f t r e eh e igh t a n dD B Ho b t a i n e df r o mt h em e a s u r e dd a t aa n dpo i n t c l o u dd a t aw e r e-0.9ma n d-0.8c m,r e spe c t i v e ly,a n dt h ea v e r ager e l a t i v ee r r o r sw e r e5.4%a n d7.1%,r e spe c t i v e ly.W i t hm e a s u r e dd a t aa s i n d epe n d e n tv a r i a b l eXa n dpo i n tc l o u dd a t aa sd epe n d e n tv a r i a b l eY,R2o ft r e eh e igh ta n dD B Hr egr e s s i o nm o d e l sw e r e0.8 0 95a n d0.9 1 84,r e spe c t i v e ly.A3 Dm o d e lm a t c h i ngt h e r e a l s c e n eo f t h e s a mpl e s i t ec a nb ec o n s t r u c t e db a s e do nt h epo i n t c l o u dd a t ao fo b l iqu eph o t ogr aphya n dc l o s e-r a ngeph o t ogr aphyu n d e r t h e s a m e spa t i a l r e f e r e n c e.T h eh e igh t a n dD B Ho f i n d i v i d u a l t r e e so b t a i n e df r o mt h epo i n t c l o u dd a t ao f t h e3 Dm o d e l o f t h e s a mpl e s i t eh a v eago o d l i n e a r c o r r e l a-第1期王怡,等:基于三维点云模型获取单木树高和胸径的研究t i o nw i t ht h ef i e l dm e a s u r e m e n t r e s u l t s.T h em e t h o du s e d i nt h i s s t u dyc a nr epl a c et h et r a d i t i o n a l f o r e s t rys u r v eym e t h o da n db eap pl i e dt ot h ea r t i f i c i a l f o r e s t.K eyw o r d s:o b l iqu eph o t ogr aph;c l o s e-r a ngeph o t ogr aphy;3 Dpo i n t c l o u dm o d e l;T r e eh e igh t;D B H 树高和胸径是森林资源调查中两个重要的测树因子,也是反应林木生长状况的主要指标参数,及时准确地获取林分内单木的树高和胸径参数,对于正确判断林分空间结构,合理制定森林经营模式,促进森林资源的保护和健康可持续发展具有重要意义1-2。当前,森林资源调查数据的获取主要还是依靠个人经验进行目测或借助简单工具实地测量,这种传统的调查方式工作量大,效率低,数据来源也会因缺乏统一的测量标准而造成误差,已不能满足现代林业精准化和信息化发展需求。随着测量技术的不断发展,高精度测量设备和摄影测量技术也越来越多的应用在林业领域。无人机在林业领域已得到越来越广泛地应用3。利用无人机倾斜摄影技术,可以获取测区的正射影像和三维点云模型,基于此技术获取树高的方法主要有两种,一是点云分割法4,将三维点云分割为树木点云和地面点云,根据树木顶端高度和地面平均高度的差值获取树木高度;二是局部最大值法5-7,首先利用三维点云生成数字表面模型(D i g i t a lS u r f a c e M o d e l,D S M)和 数 字 高 程 模 型(D i g i t a lE l e v a t i o nM o d e l,D EM),然后将D S M和D EM进行栅格作差得到树冠高度模型(C a n o p yH e i g h tM o d e l,CHM),最后运用局部最大值法对CHM进行过滤提取树顶点和树高。这两种方法获取的单木树高均具有较高的精度,但这两种方法构建的主要是林分冠层表面的三维模型,而冠层以下及地面层受林分郁闭度的影响难以获得真实有效的点云信息,且树木顶点的提取也会受林分结构的影响出现遗漏或一树多顶的情况。单木胸径通常则是利用无人机影像获取的树高、冠幅、树冠面积等参数与部分地面实测胸径建立回归模型进行反演估测获取,但这种方法的运用在树种和地域上存在一定的局限性8-1 1。三维激光扫描技术作为当前最先进的一种测绘手段,已广泛应用于森林资源调查和林分结构